高壓加氫裝置閥門的使用及要求

1 概述

高壓加氫工藝是石油深加工的一個重要手段，它不僅能提高單位原油的輕油收回率。而且能提高燃料油的質(zhì)量，從而提高煉油廠的整體效益。高壓加氫裝置還能為石油化工裝置提供優(yōu)質(zhì)的原料，也是油品脫硫的理想裝置。我國從 90 年代開始了高壓加氫裝置的建設(shè)，預(yù)計今后的幾年中，隨著我國煉外油量的逐年增多，高壓加氫裝置的建設(shè)仍將是石化行業(yè)的一大熱點，各大石化企業(yè)也都想藉此提高其煉油的水平和能力，以迎接加入 WTO 的挑戰(zhàn)。

2 工況條件熔斷閥/火災(zāi)切斷閥

高壓加氫裝置的介質(zhì)環(huán)境有 2 個突出的特點，即高壓和臨氫（并伴隨硫化氫）操作。

高壓操作不僅僅是因為其操作壓力高（一般為 14-20 MPa），而且還在于其介質(zhì)為易燃易爆的高壓氣體（氫氣或油氣+氫氣）。高壓氣體儲存了較大的壓力能．一旦其儲輸設(shè)備（包括管道閥門）損壞，引起的事故將是災(zāi)難性的。

臨氫并伴隨硫化氫操作。表明了對儲輸設(shè)備材料的苛刻要求。氫氣是一種能滲透到金屬材料內(nèi)部并在常溫或高溫下引起材料變性（惡化）的介質(zhì)，常溫下能引起金屬材料的脆化和變形等，高溫下能導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部和外部脫碳。硫化氫對金屬材料的腐蝕也是一個十分棘手的問題，常溫下它能引起許多金屬材料的應(yīng)力腐蝕開裂，高溫下它能引起金屬材料的快速均勻腐蝕。所有的這些特點都對高壓加氫閥門的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度設(shè)計等提出了嚴格的要求。

3 需求情況高溫熔斷閥

高壓加氫裝置中的閥門，既有臨氫條件，又有非臨氫條件，既有高壓條件，又有非高壓條件。本文僅討論高壓臨氫條件下應(yīng)用的閥門，這類閥門雖然數(shù)量不多，但其價格卻占有較大的比例。此類閥門有閘閥、截止閥、止回閥、球閻和旋塞閥，壓力等級為 ASME 的 CL900~2500，溫度為常溫至 400℃，主體材料有 ASTMA105、A182—F11/F22/F321、A216—WCB、A217—WC6／WC9、A351—CF8C，閥門直徑為 DN15-400 mm。這些閥門的功能與普通閥門相同，但國內(nèi)目前尚不具備成套供應(yīng)的能力，主要原因在于閥門制造廠與用戶（尤其是工程設(shè)計部門）溝通聯(lián)系不夠，不了解閥門的使用條件和要求，缺少一套與介質(zhì)條件相適應(yīng)的技術(shù)文件、模具和圖紙等，而且缺步工業(yè)化批量生產(chǎn)的經(jīng)驗。

開發(fā)高壓加氫裝置中的閥門，不僅能降低閥門價格。而且可減少供貨周期，方便補充訂貨，同時又能推動閥門行業(yè)的發(fā)展。事實上，我國目前一些閥門制造廠已具備生產(chǎn)高壓加氫閥門的能力和條件，而且在加氫精制裝置（操作壓力 8~10 MPa）上已有成功的應(yīng)用。

性能良好的閥門，其設(shè)計、制造、檢查試驗及質(zhì)量控制等各個方面和各個環(huán)節(jié)都做的比較好。本文以其中的幾個主要問題（包括閥門的內(nèi)漏、外潺、強度設(shè)計、材料、檢查試驗及質(zhì)量控制），結(jié)合高壓加氡裝置的介質(zhì)條件進行探討。

4 內(nèi)漏和外蔣的控制熱敏火災(zāi)切斷閥

閥門內(nèi)漏和外漏控制的好壞是反映閥門品質(zhì)的一個重要參數(shù)，制造廠均采取各種措施以盡量減少閥門的內(nèi)漏和外漏。油品和氫氣的外漏和內(nèi)漏不僅會污染環(huán)境，還易引起火災(zāi)或爆炸。閥門的內(nèi)漏主要發(fā)生在閘板處，外漏主要發(fā)生在閥桿填料和閥蓋墊片處，故要獲得良好的密封性能就要從這 3 處著手。

4.1 填料密封外漏

對 DN ≥ 50mm 的閘閥和截止閥，在閥桿密封處采用柔性石墨環(huán)和柔性石墨編織填料是國外翻造廠的普遍做法。其中填料的最上圈和最下圈采用柔性石墨編織環(huán)，以利用其強度較高（與模壓石墨環(huán)相比）的特點阻止石墨被擠入閥腔或閻外，中間則采用模壓石墨環(huán)（有時也在中間適當(dāng)?shù)奈恢迷鲈O(shè)編織環(huán)）。由于柔性石墨的流動性好，有減磨性，同時石墨還具有良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，因此用它作為填料既可獲得良好的密封，又可減少對閥桿的磨損。對于填料函尺寸較小的球閥、旋塞閥和小口徑的閘閥和截止閥，則僅用柔性石墨編織填料即可。

填料在裝填過程中進行預(yù)壓縮也是保證良好密封（尤其是長期良好密封）的措旋之一。國內(nèi)的閥門在填料裝填過程中大多數(shù)僅限于壓實填料，故其密封性隨應(yīng)用時間增長而變差。國外某些閻門產(chǎn)品在填料裝填過程中采用了 28 MPa 的預(yù)壓力，且設(shè)計了專用的預(yù)壓縮工具，因此它能維持較長時間的良好密封。當(dāng)然，填料的預(yù)壓力太大，將增加對閥桿的磨損，增加閥門的開啟力，因此此時應(yīng)在填料選擇和閥桿表面處理上進行改進。采用以柔性石墨環(huán)為主的填料可減少閥桿的磨損，同時也可降低閥門的開啟扭矩。

還有一些閥門在填料壓蓋處采用了“活載"結(jié)構(gòu)。即在填料壓蓋的螺栓上增設(shè)碟簧，使填料壓蓋始終作用于填料上較大的壓力，從而可防止因壓蓋螵栓松弛或填料松弛而造成的外漏。

4.2 墊片密封外漏

對 DN ≥ 50mm 的閘閥、截止閥和止回閥，可采用壓力密封閥蓋。而對于球閥、旋塞閥（多為下閥蓋）和 DN ≤ 40mm 的閘闊、截止閥和止回閥，一般采用法蘭連接閥蓋。壓力密封闊蓋的密封有 2 處，其一為閾蓋與環(huán)墊片（圖 1）的接觸處，其二為環(huán)墊片與閥體的接觸處。國外的一些閥門產(chǎn)品，將環(huán)墊片與閥蓋的接觸面設(shè)計成變角度圓弧過渡面，使它與閥蓋的密封為線密封，從而顯著提高了其嚴密性，但它增加了環(huán)墊片的加工難度。還有將環(huán)墊片表面及相應(yīng)的閥體密封面鍍上一層銀，因為銀的塑性較好，容易填充密封面上的微觀孔隙，因此大大提高了閥蓋墊片處的密封性能。

對于法蘭連接閥蓋結(jié)構(gòu)，大多數(shù)制造商采用了纏繞式墊片，因為纏繞式墊片彈性好，回彈率高，在保證穩(wěn)定性的情況下更容易保證密封。與纏繞式墊片相配的閥蓋密封采用了箱式結(jié)構(gòu)，即將墊片置于閥蓋與閥體相接的特制槽內(nèi)，從而保證了纏繞式墊片的穩(wěn)定性（即不會因較大的密封比壓而使墊片失穩(wěn)），同時又增加了介質(zhì)泄漏的阻力。事實證明，這樣的密封結(jié)構(gòu)比較好。

①閘閥/熔斷閥

國內(nèi)外各制造廠的閘板結(jié)構(gòu)設(shè)計上無太大的差別，一般 DN ≤ 40mm 的閘閥采用楔形整體閘板，而 DN ≥ 50mm 的閘閥則采撓性楔形閘板。只要密封面加工精度達到要求，這種結(jié)構(gòu)可以滿足初期密封要求。但使用者希望閥門能夠保持長久的良好密封。一般情況下，初期密封容易做到，而要做到長期密封良好則是一件不容易的事情。這里給出 2 個改進倒子供參考。其一是努力提高閘板導(dǎo)軌的精度，使它與閘板保持較小的配合間隙，以減少閘板與閥座的不均勻磨損，從而保證較長的密封壽命。導(dǎo)軌一般是與閥體整體鑄造的，而且不容易進行機加工，故與閘板的配合間隙較大，建議制造廠給予這方面的關(guān)注。其二是考慮閘板和閥座下部的腐蝕。因為當(dāng)閥門處于半開半關(guān)的位置時，會形成高速的介質(zhì)流，它將對介質(zhì)流經(jīng)的區(qū)域產(chǎn)生嚴重的沖刷，又由于硫化氫與金屬的腐蝕產(chǎn)物附著力很低，極易被高速介質(zhì)沖走，從而加速了金屬的腐蝕，即形成沖刷腐蝕。防止沖刷腐蝕的措施可從選擇良好的材料入手，即在相應(yīng)的部位上堆焊合適的硬質(zhì)合金材料。一些制造廠除了在密封面上堆焊硬質(zhì)合金外，還在閘板和閥座的下部一定范圍內(nèi)也堆焊了硬質(zhì)合金，以防止非密封面的沖刷腐蝕，這樣做雖與閥門的密封性關(guān)系不大，但對閥門整體來說有益。

②截止閥

首先要保證閥瓣與閥座的加工精度以獲得一個良好的初期密封。在防沖刷腐蝕方面，國外某制造商采用了階梯式閥瓣結(jié)構(gòu)（圖 2），即在閥門開啟或關(guān)閉的過程中，閥瓣上的非密封臺階首先形成較小的流道，以承受沖刷腐蝕，而閥瓣和閥座的密封面則不再直接承受沖刷腐蝕，或緩解了其沖刷腐蝕的程度。

③球閥/熱敏切斷閥球閥

應(yīng)采用偏心或其他無摩擦的球體結(jié)構(gòu)及金屬對金屬的密封形式。這是因為該結(jié)構(gòu)密封可靠性高，火災(zāi)安全性好，無摩擦，延長了閥門的有效壽命。

④旋塞閥

國外一般采用倒錐形平衡式閥芯（即旋塞）結(jié)構(gòu)（圖 3）。一般 CL ≤ 300 等級采用機械平衡式結(jié)構(gòu)，CL ≥ 600 等級采用壓力平衡式結(jié)構(gòu)，既能保證良好的密封，又可減少密封面金屬的磨損。國外某制造廠則在此基礎(chǔ)上對旋塞進行了噴塑處理，從而節(jié)省了定期注密封劑的維護工作量。

 5 閥門強度設(shè)計

閥門的承壓部件都應(yīng)進行強度分析和強度設(shè)計，這些部件主要包括閥體、閥蓋、閘板和閥蓋螺栓等。對截止閥來說，有時（根據(jù)結(jié)構(gòu)不同）尚須對閥座局部進行強度枝核。而作為非承壓部件的閥桿也是必須進行強度設(shè)計的一個重要部件。所謂的強度設(shè)計應(yīng)包括強度和剛度 2 部分。

國外一些主要的閥門規(guī)范如 ANSIB16.34 和 API600 都給出了閥門主要零部件的最小壁厚（直徑），國內(nèi)的一些制造廠都直接采用（或略大于）這些規(guī)范值作為設(shè)計尺寸，并且不再進行強度設(shè)計。這樣做是不嚴格的，因為①閥門的內(nèi)件結(jié)構(gòu)不同，閥上腔的結(jié)構(gòu)尺寸不同，因此其計算壁厚也不同。閥門的外觀結(jié)構(gòu)尤其是外形突變處的處理不同，其計算應(yīng)力值尤其是應(yīng)力集中的水平也不同，最終也可能導(dǎo)致計算壁厚不同。②大多數(shù)閥體為鑄件，而冶煉條件較差，原材料來源復(fù)雜的閥門廠，其鑄件材料的性能差別較大。鑄件材料的性能又與其本身的鑄造缺陷（如偏析、枝晶組織、夾雜、氣孔、疏松和裂紋等）有關(guān)，而且起伏變化較大，從而造成強度計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如許用應(yīng)用）的差異較大。③不同的應(yīng)用環(huán)境，其腐蝕情況不同，應(yīng)考慮的腐蝕裕量不同。由于這些因素的影響，對于高壓臨氫閥門來說，對其有關(guān)的零部件進行強度和／或剛度計算就顯得十分必要，因為稍有差錯，可能會帶來嚴重的后果。

目前國內(nèi)大多數(shù)閥門廠均采用數(shù)學(xué)分析法進行閥門的強度和／或剛度計算。這種方法既費力又費時，計算精度也比較差，尤其是對于零部件的形狀突變處，它不能精確地求出其應(yīng)力水平。而國外的大多數(shù)閥門廠都采用了有限元分析法，它既快又精確。對于高壓且要求苛刻的閥門來說，采用有限元法進行零部件的強度和／或剛度分析是必要的。

6 材料

高壓加氫裝置的操作條件不僅對材料的可靠性有較高的要求，而且其介質(zhì)（如氫氣和硫化氫）本身對材料性質(zhì)也有較高的要求，即介質(zhì)對材料本身存在的缺陷比較敏感。如果材料中有非金屬夾雜、夾渣、氣孔、裂紋等不連續(xù)缺陷，容易導(dǎo)致氫氣的積聚，常溫下會因其形成的局部高壓而引起氫變形，甚至誘發(fā)微裂紋，同時也會使材料脆性惡化（氫脆）。高溫下，這些缺陷更利于氫致內(nèi)部脫碳的進行，從而加快材料氫腐蝕破裂的進程。而硫化氫介質(zhì)則對材料的外部不連續(xù)缺陷比較敏感，尤其是在濕硫化氫環(huán)境下，外部的不連續(xù)缺陷往往成為應(yīng)力腐蝕開裂的誘因。因此，減少或限翻閥門承壓部件中的缺陷是保證其可靠性，延長其使用壽命的關(guān)鍵因素之一。

閥門承壓部件的制造方法有鑄造和鍛造 2 種。鍛造件不存在氣孔、疏松、大尺寸圓形夾雜、柱狀組織和枝晶組織等缺陷，而且金屬致密，綜合機械性能好，可靠性高，因此鍛造是嗣造高壓加氫阿門承壓部件的理想方法。但考慮到大多數(shù)承壓部件的外形比較復(fù)雜，而且它們中有很多超過了一般模鍛的尺寸，故國內(nèi)外大多數(shù)閥門廠對于 DN＞50 mm 閥門的主要承壓部件仍采用鑄件。為了保證鑄件質(zhì)量，應(yīng)從冶煉、鑄造工藝和焊補 3 個主要方面進行控嗣。冶煉對材料品質(zhì)的影響是最基礎(chǔ)的影響因素。不同的冶煉方法，得到的材料品質(zhì)差別也比較大。目前國內(nèi)閥門廠普遍采用電爐冶煉，而國外的大多數(shù)閥門廠則采用 VOD 或 AOD 冶煉方法。VOD／AOD 與電爐冶煉相比，其有益合金元素?zé)龘p少，材料成分更容易接近理想狀態(tài)，而且脫氣性好，有害雜質(zhì)元素少，故獲得的材料品質(zhì)也就比較高。鑄造工藝是影響材料性能的關(guān)鍵因素，它涉及到了鑄膜材料選擇、木模外模型涉及、澆鑄溫度控制和澆鑄方法選擇等方面。總之，有利于改善鑄件質(zhì)量的鑄造工藝如精密鑄造、壓力鑄造和真空澆鑄等應(yīng)作為閥門制造廠今后的發(fā)展方向。

焊樸是處理鑄件缺陷的一種補救措施。大多數(shù)鑄件都是需要焊補修理的，如果缺陷超標(biāo)就給予報廢，將會增加閥門的生產(chǎn)成本。但每個閥門的焊樸數(shù)量、焊補面積和焊樸次數(shù)等應(yīng)有限制，因為焊補區(qū)的金屬不同于鑄造金屬，焊補數(shù)量越多，焊補面積越大，造成鑄造金屬的不均勻性越嚴重，從而導(dǎo)致材料的綜合性能下降。每次焊補都相當(dāng)于給鑄件一次加熱，而多次對鑄件加熱會給它帶來一系列不利的影響，故閥門的焊補次數(shù)也應(yīng)有所限制。ASTM 規(guī)范中對鑄造材料的焊補提出了一定的要求，但其要求偏低，國外大多效閥門制造商的鑄件焊補控制水平均比 ASTM 規(guī)定的嚴格。實際上，鑄件焊補的控制還反映了鑄件材料的質(zhì)量與生產(chǎn)成本之間的平衡關(guān)系，因此關(guān)鍵還是要提高鑄件的鑄造質(zhì)量，盡量減少鑄造缺陷。

7 檢查與試驗

閥門的強度（水壓）試驗、密封試驗及必要的無損探傷是衡量閥門是否合格的必要條件，但井不是衡量一個閥門好壞的充分條件，至少對高壓加氫閥門來說，它們尚不能反映一個閥門的綜合品質(zhì)。以閥門的密封為例，一般情況下，只要保證密封件的機加工精度，就容易通過冷態(tài)下的工廠密封試驗，但它并不代表閥門在長期使用（尤其是在高溫、高壓工作工況）條件下也能保持良好的密封。一旦閥門部件出現(xiàn)磨損、腐蝕、應(yīng)力松弛、變形和材料變性等問題。將會影響到閥門的密封性能，嚴重時會使密封失效。而部件金屬組織的穩(wěn)定性和均勻性、部件結(jié)構(gòu)造成的局部應(yīng)力水平等，都會從某種程度上影響到材料的腐蝕、應(yīng)力松弛、變形和變性等問題。而材料的這些問題都是無損探傷和冷態(tài)下的壓力試驗無法檢查的。

對于一般介質(zhì)上應(yīng)用的中低壓閥門來說，上述的問題可能不存在或者不突出，而對高壓臨氫條件下應(yīng)用的閥門，這些問題將是不可忽略的。因此，對高壓臨氫用閥門。應(yīng)對其進行的檢查試驗。由于閥門承壓零部件的材料品質(zhì)（尤其是鑄件材料）對閥門的使用壽命影響較大。故就承壓鑄件的檢查試驗作進一步討論。

鑄件材料的品質(zhì)主要取決于其生產(chǎn)過程（如冶煉工藝、制造工藝等），而對其產(chǎn)品進行的各種檢查試驗僅僅是對其品質(zhì)考核的一種手段，它并不能改變材料的品質(zhì)。因此，閥門零部件在開始工業(yè)生產(chǎn)前進行系統(tǒng)的、科學(xué)的工藝評定就顯得尤為重要。而工藝評定中的質(zhì)量定位又直接決定了材料（產(chǎn)品）的品質(zhì)。結(jié)臺高壓加氫裝置的介質(zhì)特點，在此提出其主要承壓零部件在工業(yè)生產(chǎn)前應(yīng)進行的工藝評定項目。

①外觀檢查 應(yīng)按 MSSSP-55 所列項目逐項檢查。

②化學(xué)成分分析 包括爐前分析和產(chǎn)品分析，尤其應(yīng)關(guān)注有害雜質(zhì)元素（如硫、磷、砷、銻、氫和氨等）的分析。化學(xué)成分分析應(yīng)按相應(yīng)的 ASTM 標(biāo)準進行。

③機械性能試驗 包括拉伸試驗（同時測試出拉伸強度、屈服強度、延伸率和截面收縮率，并進行斷口分析）、彎曲試驗、沖擊試驗和硬度檢驗等。機械性能試驗應(yīng)按相應(yīng)的 ASTM 標(biāo)準進行。

④宏觀組織檢驗 包括氣孔、裂紋、疏松、央渣、大尺寸非金屬夾雜物、硫磷偏析等缺陷的檢驗。檢驗按 ASTME381 等標(biāo)準進行。

⑤微觀組織檢查 包括偏析、條（桂）狀組織、枝晶組織、晶粒度、小尺寸非金屬夾雜物等缺陷的檢驗。對奧氏體材料，還應(yīng)包括鐵索體含量的測定。檢驗按 ASTME38l/E45/E112 等標(biāo)準進行。

⑥無損檢查 包括 RT、UT、MT、PT 等檢查。并給出適宜的合格指標(biāo)和合格率控制指標(biāo)。無損檢查宜分別按 MSSSP—54、ASTMA388、ASTMAA275、ASTMB165（Practice B）標(biāo)準經(jīng)行。

⑦晶問腐蝕試驗 僅對奧氏體不銹鋼材料才有此要求。試按 ASTME262（Practice E）標(biāo)準進行。

⑧焊接性能試驗 包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度和無損探傷檢驗。

⑨閥體爆破試驗 液體爆破試驗按 ANSTB31.2 標(biāo)準進行。在滿足一定控制指標(biāo)的情況下，通過工藝評定而確定的工藝參數(shù)才能作為生產(chǎn)參數(shù)，并在工業(yè)生產(chǎn)中嚴格執(zhí)行，才能獲得滿足高壓臨氫應(yīng)用條件的高品質(zhì)閥門。

8 質(zhì)量控制

國產(chǎn)閥門的質(zhì)量問題更多的是出現(xiàn)在管理上。因為中國的眾多制造業(yè)者在產(chǎn)品制造的每個工序上并不是都有一個具體的、詳盡的而且切實可行的作業(yè)規(guī)程，即使有了這樣一個規(guī)程，也不能保證每個工作人員都不折不扣的接規(guī)程作業(yè)。正因為如此，才導(dǎo)致了許多國產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量不如國外產(chǎn)品。目前，國內(nèi)大多數(shù)閥門廠，都取得了 ISO9000 的質(zhì)量認證，它從某種程度上強化了閥門生產(chǎn)過程的質(zhì)量管理。但是，還要重視技術(shù)文件的建立，因為產(chǎn)品的先進與否主要取決于技術(shù)文件的先進性。

9 結(jié)語

影響閥門質(zhì)量的因素較多，要生產(chǎn)出高品質(zhì)的閥門，必須在各個方面都要做好。時值信息時代，閥門制造廠也應(yīng)走出去，多與外界進行交流，與用戶（包括工程設(shè)計部門）進行交流。了解產(chǎn)品需要，了解閥門的使用介質(zhì)工況，只有這樣，才能生產(chǎn)出適合的產(chǎn)品，才能贏得市場。與國外閥門生產(chǎn)商交流?？梢粤私庀冗M技術(shù)和新產(chǎn)品，并用于改進我們的產(chǎn)品